串联谐振试验装置在XLPE绝缘电缆耐压试验中的应用.pdf

内 蒙古 电力 技术 I N N E R MO N G O L I A E L E C T R I C P O WE R 2 0 0 6 年第 2 4卷第 2期 串联谐振试验装置在 X L P E绝缘电缆 耐压试验 中的应 用 Ap p l i c a t i o n o f S e r i a l Ha r mo n i c Vi b r a t i o n T e s t E q u i p me n t t o Di e l e c t ric T _e s t f o r XL PE I ns ul a t i o n Ca b l e 李继 刚 ， 范 建玲， 郭建伟 ， 郭 丽波 ( 包头供 电局 ， 内蒙古 包头0 1 4 0 3 0 ) 摘 要针 对 X L P E绝缘 电缆 用直 流 电压 法进 行 现场 试验 的缺 点 ，介 绍 了采 用变频 串联谐 振装 置进 行 交流耐 压试验 的方法 和注 意事项 。 关键 词X L P E绝缘 电缆 ； 直流 耐压 试 验 ； 交 流 耐压 试验 ； 串联 谐振 试验 中 图分类 号T M7 5 文献标 识码 B 文章编号 l 0 0 8 6 2 1 8 ( 2 0 0 6 ) 0 2 - 0 0 2 4 - 0 2 近年来， 随着城网改造工程的实施 ， 高压交联电 缆开始大量使用。数千米长的电缆线路具有较大电 容 ， 例如 1 0 k m长的 l 1 0 k V交联 聚乙烯 ( X L P E) 绝 缘电缆电容可达 2 - 3 F 。如果在系统频率( 5 0 H z ) 下用交流电压进行现场耐压试验 ，就需要很大的无 功 功率 。 如 上所 述 的 电缆 ， 在 1 6 0 k V( 2 5 U o ) 下进 行 交流电压试验 ，则可能需要高达 2 0 MV A的试验功 率。常规的交流电压试验 ( 运行频率 5 0 H z ) 的缺点 在于其单位试验功率 的设备重量较大 ，达 1 0 0 2 0 0 N &V A， 试验设备的运输很不经济 ， 而且需要现场提 供 相 当大 的电源 。 众 所周 知 ，油浸纸 绝缘 电力 电缆 的现 场试验 一 般都采用直流电压。 试验时可以同时测量泄漏电流， 由泄 漏 电流 的变 化 或 者 泄 漏 电流 与 试 验 电压 的 关 系， 来判断绝缘状况。 数十年对油浸纸绝缘电力电缆 采用直流耐压试验的实践 ，已证明其作为现场定期 预防性试验项 目能得出满意的试验结果 ，这也就是 充油 电缆 用直流 电压 进行 现场试 验 的原 因。长 久 以 来 ， X L P E绝缘电缆仍使用直流耐压的试验方法 ， 但 该试验方法存在诸多缺陷。 1 X L P E绝缘 电缆线路直流耐压试验 的缺点 高压 X L P E电缆线路的运行试验表明，直流耐 压试验合格的 X L P E绝缘 电缆及附件在投入运行后 仍有击穿故障发生。 因此， 高压 X L P E绝缘电缆采用 直流 耐压试 验 方法是 不恰 当的。 ( 1 )直流电压下绝缘 电场分布与交流电压下电 场的分布不同， 前者按电阻分布， 而后者按介电容分 布 ， 尤其在电缆终端和接头等高压电缆附件中， 直流 电场强度的分布与交流完全不 同。这往往造成在交 流工作电压下有缺陷部位在做直流耐压的现场试验 时不会被击穿 ，或在交流工作 电压下不会产生问题 的部位在进行直流耐压现场试验时被击穿。 ( 2 )X L P E电缆 自身 的固有场强高 ， 要用很高 的直流试验电压甚至严重损伤电缆情况下才能检 出 故障。例如 ， 2 0 k V X L P E电缆绝缘的 5 0 处有金属 尖端 ， 结果却在 l 0 的直流电压下才能使其击穿 ； 若在接头内有金属尖端或密封电缆头周 围有严重的 缺陷 ，即使用 1 2 U o - 1 6 U o 直流 电压进行试验也不 可 能检 出。 ( 3 )由于 X L P E电缆的高绝缘 电阻和相应的空 间 电荷 效应 ，尚不能排 除 在直 流 电压 下可 能造 成 的 非故意的预先损伤。直流耐压试验时形成的空间电 荷， 也可造成电缆在交流工作电压下运行时被击穿 ， 或附件界面因积聚电荷而产生沿界面滑闪。 2串联谐振耐压试验 2 1 原 理 谐振耐压试验方法是通过改变试验系统的电感 【 收稿 日期】 2 0 0 6 - 0 2 - 1 7 【 作者简介】李继刚( 1 9 6 7 一 ) ， 男 ， 河北省人 ， 毕业于华北 电力学院 ， 工程师 ， 现从事变 电管理工作。 维普资讯 2 0 0 6 年第 2 4卷第 2期 内蒙古电力技术 量和试验频率 ， 使 回路处于谐振状态 ， 这样试验回路 中试 品上 的大部分 容性 电流 与 电抗 器上 的感性 电流 相抵 消 ，电源供 给的能 量仅 为 回路 中消 耗 的有功 功 率 ， 为试品容量的 1 Q( Q为系统的谐振倍数 ) ， 因此 试 验 电源设备 大 大减小 。谐振 耐压 试验 系统 按调 节 方式 分 为调感 式 ( V I S R) 和调频式 ( V F S R) 两种 。 可 调 电感 型谐 振 试验 系统 可 以满 足 耐压 要 求 ， 但存 在试 验装 置质量 大 ， 可移 动性差 的缺 点 。 变频 串 联谐振耐压试验原理是利用改变频率使得电抗器的 电感 与被试 品 电容 实现谐 振 ，以求 在被试 品 上获 得 高电压。 变频串联谐振能改善电源波形的畸变状况 ， 获得较好的正弦电压波形 ，有效防止谐波峰值对被 试品的误击穿。 变频串联谐振装置工作在谐振状态 ， 当被 试品 的绝缘 点被 击穿 时 ， 回路立 即脱 谐 ， 回路 电 流迅速下降为正常试验电流的数十分之一。发生闪 络击穿时 ，因失去谐振条件，除短路 电流立即下降 外 ， 高 电压 也立 即消 失 ， 电弧 即可熄灭 。其 恢 复 电压 的再 建立过 程很 长 ，很容 易在再 次达 到 闪络 电压 时 断开 电源 ， 所 以 ， 适 用 于高 电压 、 大 容量 的 电力设 备 的绝缘 耐压 试验 。 2 2装 置 2 2 1 原 理 图 1所示 为 上海 思 源 电气有 限公 司 生 产 的 V F S R变频串联谐振成套试验装置原理图，该装 置 采 用 固定 电抗器作 为谐 振 电抗 器 ，以调频 的方 式实 现谐振 ， 频率 的调节范围为 3 O 3 0 0 Hz 。 图中 ： MO A一避雷器 ( 一般 内置于励磁变内 ) ； T1 一励磁 变压器 ； ， J 、 ， J 厂 高压电抗 器； e一试品 ； C 、 C 2 一高压分压器高 、 低压臂。 图 1 变频 串联谐振试验成套装置原理 变频 串联 谐 振 成 套装 置 是 运 用 串 联 谐 振 的原 理 ， 利 用励磁 变压 器激磁 串联 谐振 回路 ， 通 过调 节变 频电源 的输 出频率 ， 使得 回路中的电抗器电感 ， J 和 回路 电容 C发 生谐 振 。高 压 电抗 器 ， J ， 、 ， J 可并 ( 串 ) 接使用。 通过改变变频电源的输出频率 ， 使回路处于 串联 谐振状 态 ； 调节 变频 电源 的输 出 电压 幅值 ， 即可 使试品上的高压达到合适的电压值 。 回路 的谐振频 率取 决 于与试 品串联 的电抗器 的 电感 ， J 和 回路 电容 C ( 包 括试 品 电容 和分压 器 电 容 ) 的谐振 频率 。 2 2 2 功 能 变频 电源 由变频 控制 器和 滤波 器组 成 ，其 主要 作用是为整套设备提供有功功率 ，并改变电源的电 压和工作频率。变频电源具有 I P M保护 、 过流保护 、 过 压 保护 、 放 电保 护 、 进 线 保 护 等 可靠 的保护 功 能 ， 可保证试验人员和试品安全。 励 磁变 压器 是将 变频 电源 的输 出 电压升至 合适 的试验 电压 ， 满 足 电抗 器 、 负载在 一定 品质 因数 下 的 电压 要 求( 励 磁 变 压 器 的容 量 一 般 与变 频 电源 相 同 ) 。励 磁变 压 器一般 为干 式 ( 环氧 浇注 ) ， 质量 不超 过 5 5 。 高压电抗器 ， J 是谐振 回路的重要部件 ， 当激励 电源频率等于 1 ( 2 ,rr L ) 时， 它与回路电容 c发 生串联谐振 ， 电抗器的性能直接影响到系统 Q值 的 大 小 。高压 电抗 器一般 由多只组 成 ， 根 据需 要 ， 可 以 并联或串联使用。 高压分压器是高电压测试器件 ， 由高压臂 C 。 和 低压臂 C 组成 ， 高电压测量信号由低压臂 C 引出。 另外 ， 当试品容量较小时 ， 谐振频率较高 ， 这 时 可以通过在试品两端并联补偿 电容器的方法将谐振 频率降到期望的频率之 内。 2 _ 3 实例 以包 头 供 电局磴 口变 电站 电缆 变 频试 验 为 例 ， 介绍 如下 。 2 3 ， 1 试 验 参数 Y J V 一 8 ， 7 1 0 k V 一 3 2 4 0交 流 聚 乙烯 绝 缘 电缆 试 品参 数 如下 ： 系统 电压 为 1 O k V， 电缆 额定 电压 为 8 ， 7 k V， 电缆 长 度 为 O ， 1 k m，截 面积 为 2 4 0 m m ， 电缆相数为 3相 ， 试验 电压 为 2 ， 电缆电容量 为 0 33 9 IL F k m 。 试验所需设备为调频 电源柜( V F 一 2 P 一 1 O ) 1 台 ， 励 磁 变压 器 ( Y D C 一 1 0 3 6 ) 1台 ， 试 验 电抗 器 ( Y D C K 一 3 0 1 5 3 2 ) 3台 ， 分压 器 ( T R F 一 5 5 0 0 0 1 ) 1 台 。 试验所用电抗器为 3只串联 ，电感值为 3 3 H， 互 感 系数 为 1 1 ， 分压 器 的 电容 量 c 0 为 0 0 0 1 F 。 2 _ 3 2试 验标 准 对 1 O k V电缆进行交接试验时 ，交流耐压值 为 2 下耐压时间为 5 m i n ， 允许频率为 3 0 3 0 0 H z 。 2 - 3 3 数 据计 算及 现 场试验 电缆的电容量记 为 c z ， 。 ( 1 ) 频率估算 产1 ( 2 1 、 ( + C o ) x l 0 。 6) = 4 7 6 2 Hz 。通过频率估算 ， ( 下转第 2 8页7 I f 维普资讯 2 8 内蒙古 电力技 术 2 0 0 6 年 第 2 4卷第 2期 甘 德尔 变 电站 二期 扩 建 工程 中 ，增设 了 MC R动 态 无功补偿装置 ， 将这种装置与电容器配合使用。 该装 置通过对 1 O k V母线 电压进行监测 ，根据母线电压 的变化，利用磁饱和可控 电抗器对无功补偿装置进 行调节 。磁饱和可控电抗器通过直流控制 电流的激 磁 改变 铁心 的磁 饱和 度 ，从 而 达到平 滑连 续调 节无 功输 出的 目的 。其接线 形式 见 图 3所 示 。 电容器 可控电抗 器 事主 图 3甘 德 尔变 电站 动 态 无功 补 偿 装置 接 线 图 4 2 装置 的特 点 ( 1 )该装置不再选用带抽头 的电容器 ， 为检修 、 运行工作提供 了方便 ； ( 2 )电压 与 无 功综 合 控制 ， 在 满足 电压 要求 的 情况下 ， 使无功最小 ， 功率 因数始终保持在 0 9 5以 ( 上接 第 2 5页)将仪器调至所估算的谐振频率点 ， 仪器 自动找到谐振频率为 4 9 2 H z 。 ( 2 )电流估算 ： l = 2 t rf C U = O 5 4 7 A。通过 电流估 算 ， 判断电抗 器是 否过载 ， 并将其用于试验容量 的 估 算 。 ( 3 )试验容量估算 ： Q 】 = I U = 2 , t rf C U Z = 9 5 1 4 k VA。 通过估算可知所选试验设备满足要求。 ( 4 )试验电源容量估算： P = Q ， Q = O 3 1 7 k V A ( 系 统 Q值为 3 O ) 。通过估算可知电源容量能满足试验 要求 。 2 _ 3 4试 验 按照试品参数进行正确接线 ， 所有试验设备调 至合适位置 ， 确认无误后 ， 接通电源 ， 依照所给操作 说明进行试验 ，电压零起升至 1 7 4 k V保持 5 mi n ， 试 验完毕 后切 断 电源 。 目前 ， 包 头 供 电局 在磴 口变 、 古 城 变 、 兴 胜 变 、 昆都仑变等对 1 0 k VX L P E电缆进行 了交流耐压试 验 ， 试 验情 况 良好 。 2 4 试 验 中应 注意 的问题 2 4 1 谐 振 试 验 装 置 中 的 电 源 产 品 大 多 是 高压 试 验设备 ， 要求 由高压试验专业人员操作 ， 在使用前 应仔细阅读相关使用说 明书 ，并经反复操作训练。 操作人员不得少于 2人 ， 且必须严格遵守有关高压 试验 的安全 作业 规程 。 上 ， 同时可 实现 动态无 功 补偿 ； ( 3 )该装置投入后 ， 可对全站的无功进行调节 ； ( 4 )不存在电抗器与电容之间有谐振点的问题。 其不足是造价高 ，是普通带抽头电容器的 3 倍 左 右 。 5 结束语 随着 乌海 地 区电 网规模 的不 断扩 大 ，以及各 种 用 电装置 接入 电 网消耗 大量 的无 功 ，使 得该 地 区无 功不 足和 电压 波动 大的 问题 日益 突 出。采用 磁饱 和 可控电抗器配合电容器组 ， 能适应系统负荷变化快 、 运 行 方式 多 变 的特 点 ， 可 以 平滑 调 节无 功功 率 而 且可靠性高 ， 谐波量小。 目前 ， 甘德尔 l 】 O k V变电站 二期工程的设计已全部完成 ，补偿装置正在安装过 程 中 ，动态无 功补 偿装 置投 入后 的效 果有 待 于进一 步观 察 。 编 辑 ： 刘 宇萍 “ - L - L - L“J “